Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние проблемы взаимодействия трубопроводов со слабыми грунтами, цель и задачи исследования 7
1.1.Общие положения 7
1.2.Характеристика инженерно-геологических условий региона и параметров конденсатопровода «Уренгой - Сургут» 8
1.3. Исследование температурного режима системы «трубопровод-грунт» в условиях Тюменского региона 14
1.3.1. Температурный режим грунтов 14
1.3.2. Характеристика конденсатопровода 18
1.3.3. Температурный режим трубопроводов 20
1.4.Определение длины участков температурной стабилизации магистральных нефтегазопроводов,,.,.* 26
Выводы по главе 31
Глава 2. Лабораторные исследования реологических свойств слабых глинистых грунтов с учетом температурного фактор 32
2.1.Цели исследования. Описание экспериментальной установки и основные положения методики проведения эксперимента 32
2.2. Результаты исследований осадки штампов в модельном грунте и методика обработки полученных данных 40
2.3.Лабораторные эксперименты по определению реологических характеристик реальных грунтов 51
Выводы по главе 58
Глава 3. Теплосиловое взаимодействие трубопровода со слабым глинистым грунтом 59
3.1. Анализ силовых факторов, воздействующих на трубопровод 59
3.2. Разработка модели силового взаимодействия трубопровода с грунтом 69
3.4. Решение уравнения силового взаимодействия трубопровода со слабым грунтом 72
Выводы по главе 74
Глава 4. Расчет напряженно-деформированного состояния стенки трубопровода с учетом температурного фактора 75
4.1. Динамика изменения высотного положения трубопровода 75
4.2. Определение изгибающего момента и продольных напряжений в стенке трубопровода 79
4.3. Анализ полученных результатов 86
Выводы по главе 93
Основные выводы по работе 94
Литература 95
Приложение 106
- Исследование температурного режима системы «трубопровод-грунт» в условиях Тюменского региона
- Результаты исследований осадки штампов в модельном грунте и методика обработки полученных данных
- Разработка модели силового взаимодействия трубопровода с грунтом
- Определение изгибающего момента и продольных напряжений в стенке трубопровода
Исследование температурного режима системы «трубопровод-грунт» в условиях Тюменского региона
Температурный режим системы «трубопровод-грунт» определяется температурой грунта, который служит основанием и средой функционирования трубопровода и температурой транспортируемого продукта. Температура грунта в свою очередь, определяется температурой наружного воздуха.
Общие закономерности температурного режима грунтов Тюменского региона освещены в работах Московского государственного университета, Гипротюменьнефтегаза, Тюменского нефтегазового университета, Красноярского института «ПромстройНИИпроект» и др. [86, 72].
Для анализа температурного режима грунтов в зоне глубокого сезонного промерзания на рис. 1.2, 1.3 и приведены соответственно распределение температуры воздуха, динамика сезонного промерзания грунтов и распределение отрицательных температур в промерзающих грунтах на участке 4,9-100,4 км конденсатопровода «Уренгой-Сургут».
При оценке климатических условий региона за начало зимы условно принята дата устойчивого перехода среднесуточной температуры воздуха через 0С в сторону понижения. Эта дата принята и за окончание осени.
За конец зимы принята условно дата устойчивого перехода среднесуточной температуры воздуха через 0С в сторону повышения. С этой даты начинается весна. Из сопоставления графиков рис. 1.2. следует, что пики отрицательных температур воздуха и максимальной глубины сезонного промерзания грунта не совпадают.
Если максимальная температура воздуха наступит в январе, то максимальная глубина промерзания имеет место лишь в марте - апреле, т. е. процессы сдвигаются на два-три месяца. Это свидетельствует о монотонном характере промерзания грунтов.
В середине октября (перед началом промерзания) по всей толще грунта устанавливается положительная температура в пределах от 0,1 до 4С. Уже в конце октября начинается промерзание верхнего слоя грунта, достигающее 0,3-0.5 метра. При этом в верхних слоях температура грунта удерживается наиболее низкая в январе. Об этом свидетельствуют кривые температурных режимов грунтов по глубине (рис.1.3.), построенные по данным Б.В.Моисеева для условий г.Сургута.
а) январь; б) апрель I - суглинок; 2 - песок Из рис. 1.3. следует также, что наиболее низкая температура грунта в апреле, когда температура поверхностных слоев повышается и в мае принимает положительные значения.
С июня-июля по октябрь в оттаявшем грунте удерживается температура близкая к 0С.
Наиболее сильное промерзание грунтов происходит со второй половины октября до марта-апреля месяцев. Полное оттаивание сезонно промерзающего грунта завершается лишь в сентябре-октябре.
О численных значениях отрицательных температур в грунте по глубине промерзающего слоя для условий г.Сургута можно судить по данным Б.В.Моисеева (рис. 1.4.)
По данным замеров температур грунта были построены осредненные температурные поля в грунте вокруг канала теплопроводов. При этом глубина промерзания грунтов вне зоны влияния каналов, как следует из графика, уже на расстоянии 9-10 метров. Температура промерзающего грунта обусловлена влиянием многочисленных факторов, в том числе температурой воздуха, рельефом местности, наличием снежного и растительного покрова, интенсивностью промерзания, влажностью и характеристиками грунта. Для сезонно талого слоя мощностью до 3,0 метров характерно твердомерзлое физическое состояние. Его деформирование обеспечивается низкими температурами воздуха у поверхности земли, высоким темпом охлаждения при незначительной мощности промерзающего слоя, двусторонним охлаждением грунта (со стороны поверхности земли и от кровли вечномерзлого грунта).
Температурный режим при сезонном промерзании и оттаивании талых грунтов в первую половину зимы аналогичен температурному режиму промерзания сезонно-талого слоя грунтов: понижение температуры происходит монотонно, хотя и медленнее. Это объясняется отсутствием подстилающей толщи многолетнемерзлых пород и аккумуляцией значительного количества тепла в грунте летом, в ходе его оттаивания, а закономерности формирования температурного поля - действием одного зимнего источника холода.
Закономерности динамики теплового поля в промерзающих и оттаивающих грунтах определяют закономерности формирования мощности мерзлого слоя.
Из сказанного следует, что рассматриваемый участок конденсатопровода «Уренгой-Сургут» является исключительно сложным с позиции оценки его эксплуатационной надежности по морозной пучинистости грунтов вдоль трассы, так как не попадает в зону залегания вечномерзлых низкотемпературных грунтов, и в то же время глубокое сезонное промерзание соприкасается с влиянием талых грунтов, носящих прерывистый островной характер.
I и II нитка конденсатопровода «Уренгой - Сургут» предназначены для транспортировки жидкого углеводородного сырья (смеси деэтанизированного конденсата и нефти) от Уренгойского газоконденсатного месторождения на Сургутский завод стабилизации конденсата. 1. Общая проектная производительность 2 ниток конденсатопроводов -14.4 млн.м3/год, в т.ч. 2. Диаметр I нитки конденсатопровода - 720 мм. 3. Диаметр II нитки конденсатопровода - 720мм. 4. Установленное рабочее давление - 5,5 МПа. 5. Протяженность I нитки конденсатопровода - 703 км. 6. Протяженность I нитки в однониточном исчислении - 754,7 км I нитка конденсатопровода принята в эксплуатацию в объеме пускового комплекса в 1985 году. II нитка конденсатопровода принята в эксплуатацию в 1993 году. Конденсатопровод «Уренгой-Сургут» включает: - линейную часть, состоящую из 2 ниток конденсатопровода с перемычками, запорной арматурой и узлами запуска и приема очистных устройств; - линейную телемеханику; - устройства катодной защиты, вдольтрассовую ВЛ, для электроснабжения линейных потребителей. Начальной точкой трассы конденсатопровода «Уренгой - Сургут» является насосная деэтанизированного конденсата, сооруженная на установке стабилизации конденсата ПО «Уренгойгаздобыча». Начальный участок конденсатопровода протяженностью 8,65 км смонтирован из труб диаметром 530x6.
От границы Уренгойского промысла конденсатопроводы следуют раздельно до 12 км и далее вдоль существующей системы газопроводов Уренгой - Сургут - Челябинск до КС Ортьянгунская.
На 12 км пересекают существующие газопроводы «Уренгой - Челябинск» и до 288 км (район Губкинской КС) проложены с правой стороны от газопровода по ходу продукта. Далее конденсатопроводы расположены с левой стороны параллельно существующим магистральным газопроводам на расстоянии 18 м от ближайшего газопровода. На 510 км пересекают двухниточную систему газопроводов Уренгой - Челябинск и до конечной точки проходят в отдельном коридоре.
Для всего района прохождения трассы характерен слабый дренаж, сильная заболоченность и большое количество озер.
Территория от Уренгоя до Вынгапура попадает в зону распространения многолетнемерзлых грунтов. Характер мерзлоты в основном островной, вялый.
Далее трасса переходит в Приобскую низменность с крупными сильно обводненными и заозерными болотными системами.
Практически на всем протяжении конденсатопровод Уренгой - Сургут выполнен подземно, с глубиной заложения не менее 1 м от верхней образующей трубы.
Результаты исследований осадки штампов в модельном грунте и методика обработки полученных данных
Отработка методики определения реологических параметров проводилась на модельном грунте, в качестве которого использовался парафин. Так как температура размягчения парафина составляет 31 С, то диапазон измерения средней температуры на поверхности штампа при проведении экспериментов составлял 33-55 С. Давления, передаваемые штампом на парафин, находились в пределах 1,96-103-3,95-103Па и рассчитывались по формуле:
Часть результатов экспериментальных исследований приведена на рис.2.8, 2.9, 2.10. На графиках четко прослеживается прямо-пропорциональная зависимость между осадкой штампа и временем наблюдения, что позволяет считать скорость осадки штампа в процессе эксперимента постоянной (на графиках не показаны кривые разгона штампа). Наличие трех групп данных на рис.2.8. объясняется длительностью эксперимента (трое суток). Графики, представленные на рис.2.9, 2.10, соответствуют методике «экспресс -эксперимента».
Полные результаты лабораторных исследований приведены в таблицах 2.1; 2.2; 2.3, где указаны скорость осадки штампа V в зависимости от давления штампа на парафин и средней температуры штампа на его поверхности.
Обработка результатов лабораторных исследований проведена методом наименьших квадратов по стандартной методике с использованием пакета программ ПЭМ.
Разработка модели силового взаимодействия трубопровода с грунтом
При дальнейшем возрастании нагрузки от астр до р] начинается процесс уплотнения грунта, сопровождающийся уменьшением его пористости. В этом интервале нагрузок зависимость S(p) близка к линейной и ни в одной точке грунта не возникает предельного состояния, описываемого условием Кулона-Мора. Таким образом, величина pi является максимальным напряжением в грунте, при котором еще не достигнуто предельное равновесие (начальная критическая нагрузка). При дальнейшем увеличении давления на грунт (р pi) условие предельного равновесия нарушается и возникают области необратимых сдвиговых деформаций, имеющих пластический характер. Именно в области р pi проведены лабораторные испытания осадки штампов в слабых глинистых грунтах. Зависимость S(p) становится нелинейной, участок Pi р Рг называется фазой сдвигов, а при нагрузке р2 (предельная критическая нагрузка) происходит нарушение потери устойчивости по всему объему грунта, т.е. наблюдается полное исчерпывание его несущей способности. Временные зависимости осадки при различных напряжениях приведены на рис.3.7. О
Следует особо отметить тот факт, что при выполнении условия р Pi развитие осадок может носить незатухающий характер.
Величина pi определяется как видом грунта, так и его характеристиками. Важнейшим параметром, определяющим величину р, для глинистых грунтов, является показатель консистенции IL. Проведенные испытания показали, что величина pi зависит и от температуры Т. Задача определения несущей способности в зависимости от параметров IL и Т не решена и по настоящее время. Это объясняется практической невозможностью определения IL (в достаточно широком диапазоне) при проведении экспериментов, в то время как определение второго параметра (температуры Т) не вызывает таких затруднений. Выбор значения IL=1 при проведении экспериментов с штампами был обусловлен следующими обстоятельствами: возможностью контролируемого достижения значения IL = 1 на начальном этапе каждого эксперимента; величина IL=1 является граничной между текучепластичными и текучими глинистыми грунтами, что соответствует реальным условиям.
Для изучения силового взаимодействия подземного трубопровода с грунтом необходим правильный выбор как конструктивно-силовой, так и расчетной схемы его линейной части. В качестве первой из них в диссертационной работе выбран упругоискривленный участок (рис.3.1) с рассмотрением изменения его высотного положения (изгиб в вертикальной плоскости).
Как известно [12], одним из критериев оценки напряженно-деформированного состояния стенки трубопровода является величина эквивалентного напряжения аэкв по четвертой теории прочности: экв=УСТкц-СТкц-апр+апр (3-9) При определении кольцевого напряжения акц упругоискривленный участок рассматривается как тонкостенная оболочка, а сама величина акц рассчитывается по формуле (17) СНиП-а 2.05.06-85 : кц= 1 вн, (ЗЛО) п-р-Р 25н где: п - коэффициент надежности трубопровода по нагрузке (внутреннему давлению); р - абсолютное давление транспортируемого продукта; DBH- внутренний диаметр трубы; 5Н - номинальная толщина стенки трубопровода. При нахождении продольного напряжения а„р трубопровод рассматривается как стержень трубчатого сечения, взаимодействующий с грунтом.
Определение изгибающего момента и продольных напряжений в стенке трубопровода
Полученные в главе 3 выражения для функции прогиба трубопровода (как в общем - нестационарном случае, так и для предельного его положения) позволяют дать прогноз изменения высотного положения трубопровода, оценить дополнительные продольные напряжения в его стенке, вызванные изменением его положения в пространстве, рассчитать эквивалентные напряжения по верхней и нижней образующей и оценить влияние температурного фактора на эксплуатационную надежность трубопровода.
Для решения этих вопросов под руководством автора разработана компьютерная программа (приложение 1.), позволяющая уже на стадии принятия проектных решений (с учетом найденных физико-механических характеристик слабонесущих грунтов по трассе трубопровода) учитывать влияние температурного фактора и тем самым производить выбор оптимального варианта прокладки трассы.
Решение (3.24) обладает одним недостатком - сумма ряда может расти (в отдельных случаях) довольно медленно, что требует большого количества слагаемых. Для того, чтобы исследовать сходимость решения, проведем оценку полученных результатов для выбранного участка конденсатопровода при следующих значениях величин, взятых из технических данных конденсатопровода и результатов главы 3:
Как видно из рис.4.10, эквивалентное напряжение по нижней образующей трубопровода меняется незначительно (в пределах 200-250 МПа), в то время как эквивалентное напряжение по верхней образующей растет практически линейно в зависимости от температуры Т и достигает опасного уровня, сравнимого с пределом текучести От = 520МПа, при температуре 298К.
1.Экспериментальные данные по испытаниям малого штампа ((таблица 2.4) и соответствующая этим данным найденная зависимость 2.21) получены в диапазоне температур 5 - 28 С. Перед каждым экспериментом величина консистенции доводилась до значения IL = 1.
В процессе проведения экспериментов было обнаружено, что начиная с температуры 20 С консистенция грунта вблизи штампа становилась меньшей 1 (измерения проводились на пробах грунта вблизи штампа с помощью конуса Васильева). В связи с этим обстоятельством грунт в области осадки штампа доводился перед каждым экспериментом до состояния с консистенцией IL = 1 увеличением его влажности. С увеличением температуры штампа количество влаги, добавляемое в грунт, увеличивалось. Иначе говоря, с увеличением температуры грунта вокруг штампа начинается миграция влаги в грунте штампа. Уменьшение влажности грунта вследствие миграционного оттока влаги приводит к увеличению несущей способности. Следовательно, увеличение температуры грунта вокруг штампа приводит к двум противоположным процессам:
а) уменьшение несущей способности грунта, что соответствует современным положениям теории старения;
б) увеличение несущей способности грунта, связанное с его подсыханием вследствие миграции влаги из области с повышенной температурой.
Иначе говоря, несущая способность грунта зависит и от его консистенции IL, причем в области реальных значений температуры и влажности выполняются следующие соотношения:
Нахождение зависимости R(T;IL) является сложной, как в теоретическом, так и в практическом плане задачей (в диссертационной работе найдена зависимость R(T;1)).
Теоретическое описание процесса должно учитывать тепломассообмен движущегося трубопровода при известном значении потенциала влагообмена. Экспериментальные исследования связаны с проблемой неразрушающих методов определения локальной важности грунтов, открытой и по сей день. 2. Использованное в диссертации выражение для погонной нагрузки, действующей на трубопровод вверх, имеет следующий вид [3.14]: q2(x;x) = R(T)-DH +10,53Л(Т)-М . от
Формально обтекание грунта в этом случае соответствует течению бингамова тела, где предельному значению касательного напряжения тт соответствует величина R(T)-DH .
3. Как показано в разделе 4.1, прогиб трубопровода достаточно точно описывается первым членом ряда 3.24, что позволяет ввести понятие времени релаксации тР процесса осадки, вычисляемого по формуле: \ = - (4.7) к0 сс2 При расчетных данных раздела 4.1 (стр.75) величина тР равна т = , = 6,Ы04с. р (0,105)4- 5,72-10"5 Примем время осадки тос. равным ЗтР (что соответствует 95% осадке): toe. ЗтР = 1,83-105с ( 2суток). Такое малое время осадки не соответствует действительности. Для оценки реального времени осадки трубопровода используем рассуждения, приведенные в разделе 3.1. Осадка трубопровода является следствием понижения несущей способности грунта, вызванное увеличением его температуры. Таким образом, скорость осадки трубопровода определяется скоростью перестройки температурного поля вокруг движущегося трубопровода. Характерное время перестройки температурного времени может быть найдено из следующей формулы:
Похожие диссертации на Влияние температурного фактора на эксплуатационную надежность трубопроводов в условиях слабонесущих грунтов
